Usar eletrólitos sólidos em vez de eletrólitos líquidos em baterias poderia tornar as baterias recarregáveis de lítio metálico mais seguras, armazenar mais energia e carregar mais rápido do que as atuais baterias de íons de lítio. A ideia fascina cientistas e engenheiros há décadas. No entanto, o progresso é limitado por uma deficiência grave. Eletrólitos sólidos feitos de materiais cristalinos são propensos a rachaduras microscópicas. Com o tempo, essas rachaduras podem aumentar durante o carregamento repetido, eventualmente causando falha na bateria.
Pesquisadores da Universidade de Stanford encontraram agora uma solução potencial, com base em trabalhos publicados há três anos que revelaram como pequenas rachaduras, amassados e defeitos superficiais se formam e se espalham. Eles descobriram que o tratamento térmico de uma camada extremamente fina de prata na superfície de um eletrólito sólido pode prevenir amplamente esse dano.
É relatado materiais naturais 16 de janeiro Superfícies tratadas com prata são cinco vezes mais resistentes a fissuras causadas por esforços mecânicos. O revestimento também reduz o risco de o lítio penetrar nos defeitos superficiais existentes. Este tipo de intrusão é particularmente prejudicial durante o carregamento rápido, pois fissuras muito pequenas podem expandir-se para canais mais profundos, degradando permanentemente a bateria.
Por que as rachaduras são tão difíceis de remover
“O eletrólito sólido que nós e outros estamos estudando é uma cerâmica que permite que os íons de lítio se movam facilmente para frente e para trás, mas é frágil”, disse Wendy Gu, professora associada de engenharia mecânica e autora sênior do estudo. “Em uma escala incrivelmente pequena, não é diferente de um prato ou tigela de cerâmica que você tem em casa, com pequenas rachaduras na superfície”.
Gu ressalta que não é realista eliminar todos os defeitos no processo de fabricação. “As baterias de estado sólido do mundo real são feitas de múltiplas camadas de folhas empilhadas de cátodo-eletrólito-ânodo. Fabricar essas baterias sem os menores defeitos é quase impossível e muito caro”, disse ela. “Achamos que seria mais realista proteger a superfície, e apenas um pouco de prata parecia ajudar muito.”
Interruptor de lítio prateado
Estudos anteriores de outros grupos de pesquisa examinaram revestimentos de prata metálica aplicados aos mesmos materiais eletrolíticos sólidos usados no novo estudo. O material é conhecido como “LLZO” por sua combinação de lítio, lantânio, zircônio e oxigênio. Embora as primeiras pesquisas se concentrassem na prata metálica, a equipe de Stanford adotou uma abordagem diferente, usando uma forma dissolvida de prata (Ag+) que perdeu elétrons.
Esta prata carregada positivamente se comporta de maneira muito diferente da prata metálica sólida. Segundo os pesquisadores, os íons Ag+ são diretamente responsáveis pelo fortalecimento da cerâmica e pela redução de sua tendência a trincas.
Como funciona o tratamento com prata
A equipe revestiu a superfície da amostra LLZO com uma camada de prata de apenas 3 nanômetros de espessura e depois a aqueceu a 300 graus Celsius (572 graus Fahrenheit). Quando a amostra é aquecida, os átomos de prata movem-se para a superfície do eletrólito, substituindo átomos menores de lítio dentro da estrutura cristalina porosa. Este processo se estende até cerca de 20 a 50 nanômetros abaixo da superfície.
É importante ressaltar que a prata permanece na sua forma iônica com carga positiva, em vez de se transformar em prata metálica. Os pesquisadores acreditam que isso é crucial para prevenir rachaduras. Em áreas onde já existem pequenos defeitos, os íons de prata também ajudam a impedir a entrada de lítio e a formação de estruturas internas prejudiciais.
“Nossa pesquisa mostra que a dopagem com prata em nanoescala pode mudar fundamentalmente a forma como as rachaduras se originam e se propagam nas superfícies dos eletrólitos, produzindo eletrólitos sólidos duráveis e resistentes a falhas para tecnologias de armazenamento de energia da próxima geração”, disse Xin Xu, pós-doutorado na Universidade de Stanford e agora professor assistente de engenharia na Universidade Estadual do Arizona.
“Essa abordagem pode ser estendida a uma ampla gama de classes de cerâmica e mostra que revestimentos de superfície ultrafinos podem tornar os eletrólitos menos frágeis e mais estáveis sob condições eletroquímicas e mecânicas extremas, como carga e pressão rápidas”, disse Xu, que trabalha em Stanford no laboratório do professor William Chueh, autor sênior do estudo e diretor do Instituto Precourt de Pesquisa Energética, parte da Escola de Sustentabilidade Duer de Stanford.
Para medir o quão forte o material tratado se torna, os pesquisadores usaram uma sonda especializada dentro de um microscópio eletrônico de varredura para testar quanta força é necessária para quebrar a superfície do eletrólito. O material tratado com prata exigiu quase cinco vezes mais pressão para romper do que a amostra não tratada.
O próximo passo para baterias de estado sólido
Até agora, os experimentos se concentraram em áreas menores e localizadas, em vez de células de bateria completas. Não está claro se esta abordagem baseada na prata pode ser ampliada para baterias maiores, integrada com outros componentes e manter seu desempenho ao longo de milhares de ciclos de carga.
A equipe está atualmente trabalhando em baterias completas de estado sólido de metal de lítio e explorando como prolongar a vida útil da bateria aplicando estresse mecânico de diferentes ângulos. Eles também estão investigando outros tipos de eletrólitos sólidos, incluindo materiais à base de enxofre que poderiam fornecer melhor estabilidade química quando usados com lítio.
Os pesquisadores também veem aplicações potenciais além do lítio. As baterias à base de sódio poderiam beneficiar de estratégias semelhantes e ajudar a aliviar as pressões na cadeia de abastecimento associadas à procura de lítio.
A prata pode não ser a única opção viável. Outros metais também poderiam funcionar, dizem os pesquisadores, desde que seus íons sejam maiores do que os íons de lítio que substituem na estrutura eletrolítica. O cobre teve algum sucesso nos primeiros testes, embora não seja tão eficaz quanto a prata.
Outro autor sênior do estudo com Gu e Chueh é Yue Qi, professor de engenharia na Brown University. Os co-autores principais de Stanford com Xu são Teng Cui, agora professor assistente na Universidade de Waterloo; Geoff McConohy, agora engenheiro de pesquisa na Orca Sciences; e o atual estudante de doutorado Samuel S. Lee. Harsh Jagad, ex-aluno da Brown University e atualmente diretor de tecnologia da Metal Light, Inc., é co-autor principal do estudo.
